Ανάπτυξη μεθοδολογίας εκτίμησης των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής σε μνημεία πολιτιστικής κληρονομιάς

Abstract

Climate change increases the frequency and intensity of extreme weather events, such as prolonged droughts, intense rainfall, and strong winds, directly impacting the structural materials of cultural heritage monuments. Rising temperatures, heavy precipitation, and intensified solar radiation accelerate the physical and mechanical deterioration of these materials, reducing both their structural integrity and aesthetic value. Traditional restoration methods are no longer sufficient, necessitating the transition towards an integrated preventive framework based on climate studies at high spatial and temporal resolution and their connection with monument materials. This thesis examines two significant monuments in Northern Greece: the archaeological site of Dion in Pieria and the Arch of Galerius in Thessaloniki. The main materials analyzed are fired bricks at Dion and white marble of Thassos Island at both the Arch and Dion, representative materials of ancient Greek architecture. In Dion, substantial daily temperature fluctuations and increased relative humidity due to the area's microclimate are detrimental to material preservation. In Thessaloniki, thermal stress predominates – further exacerbated by the urban heat island effect – alongside high solar radiation, heatwaves, and strong winds. The climate trend analysis utilizes the EURO-CORDEX project under the RCP4.5 scenario at an approximate spatial resolution of 12 km for the periods 1971–2000 (reference period), 2021–2050, and 2071–2100. Significant upward trends in temperature are observed, characterized by a decrease in cold days and an increase in hot days. Specifically, Dion is projected to experience a potential decrease in rainfall frequency but an increase in intensity, whereas Thessaloniki is expected to have more sunny days due to reduced cloud cover and an unclear wind trend. Subsequently, specific monthly periods are selected through analysis with ETCCDI indices and other statistical metrics to optimally manage computational time required by atmospheric model simulations. The study proceeds with dynamical downscaling method using the mesoscale atmospheric model WRF-ARW at spatial resolutions of 9, 3, and 1 km, revealing minor deviations from actual measurements, thus validating the model's parameterizations. The 3 km analysis is highlighted as achieving an optimal balance between spatial detail, numerical accuracy, and computational efficiency. In Thessaloniki’s urban environment, the MEMO mesoscale model, at resolutions up to 250 meters, demonstrates superior numerical accuracy, while WRF-ARW better captures the dynamic nature of weather events. Future climate analysis with WRF-ARW underscores the importance of employing high spatial resolutions to accurately assess climate risks, enabling the adoption of targeted strategies for adaptation and cultural heritage protection. Finally, the impacts of climate change on the materials are quantified. Fired brick moisture content in Dion reaches up to 250 kg/m³ during winter months, with 7–15 wetting/drying cycles per month during transitional seasons. White marble of Thassos Island undergoes mechanical stress of up to 38.9 MPa and 31.5 MPa due to temperature variations in Dion and Thessaloniki, respectively, with cumulative deterioration reaching up to 83% and 85%. The thesis proposes an integrated, interdisciplinary approach to cultural heritage management addressing new climatic challenges, thus filling a significant gap in existing literature.

Η κλιματική αλλαγή εντείνει τη συχνότητα και την ένταση ακραίων καιρικών φαινομένων, όπως παρατεταμένες ξηρασίες, έντονες βροχοπτώσεις και ισχυρούς ανέμους, επηρεάζοντας άμεσα τα δομικά υλικά των μνημείων πολιτιστικής κληρονομιάς. Η αύξηση της θερμοκρασίας, οι έντονες βροχοπτώσεις και η ενισχυμένη ηλιακή ακτινοβολία επιταχύνουν τη φυσική και μηχανική φθορά των υλικών, υποβαθμίζοντας την αντοχή και την αισθητική τους αξία. Η παραδοσιακή μέθοδος αποκατάστασης δεν αρκεί πλέον, καθιστώντας αναγκαία τη μετάβαση σε ένα ολοκληρωμένο προληπτικό πλαίσιο δράσης που βασίζεται στη μελέτη του κλίματος σε υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση και στη σύνδεσή του με τα υλικά των μνημείων. Η παρούσα διατριβή εξετάζει δύο σημαντικά μνημεία στη Βόρεια Ελλάδα: τον αρχαιολογικό χώρο του Δίου Πιερίας και την Αψίδα του Γαλερίου στη Θεσσαλονίκη. Τα κύρια υλικά που αναλύονται είναι ο οπτόπλινθος στο Δίον και το λευκό μάρμαρο Θάσου στην Αψίδα και στο Δίον, αντιπροσωπευτικά υλικά της αρχαίας ελληνικής αρχιτεκτονικής. Στο Δίον, οι μεγάλες ημερήσιες διακυμάνσεις θερμοκρασίας και η αυξημένη σχετική υγρασία εξαιτίας του μικροκλίματος της περιοχής δεν ευνοούν τη διατήρηση των υλικών, ενώ στη Θεσσαλονίκη κυριαρχεί η θερμική καταπόνηση – η οποία επιδεινώνεται από την αστική θερμική νησίδα – η υψηλή ηλιακή ακτινοβολία, τα κύματα καύσωνα και οι ισχυροί άνεμοι. Για την ανάλυση των κλιματικών τάσεων χρησιμοποιείται το πρόγραμμα EURO-CORDEX, υπό το σενάριο RCP4.5, σε χωρική ανάλυση περίπου 12 χλμ., για τις περιόδους 1971-2000 (περίοδος αναφοράς), 2021-2050 και 2071-2100. Διαπιστώνονται σημαντικές αυξητικές τάσεις στη θερμοκρασία, με μείωση των ψυχρών ημερών και αύξηση των θερμών. Ειδικότερα, στο Δίον αναμένεται δυνητική μείωση της συχνότητας και αύξηση της έντασης των βροχοπτώσεων, ενώ στη Θεσσαλονίκη προβλέπονται περισσότερες ηλιόλουστες ημέρες λόγω μειωμένης νεφοκάλυψης και μη σαφής τάση για τον άνεμο. Έπειτα, επιλέγονται συγκεκριμένες μηνιαίες περίοδοι μέσω ανάλυσης με τους δείκτες ETCCDI και άλλους στατιστικούς δείκτες για τη βέλτιστη διαχείριση του υπολογιστικού χρόνου που απαιτούν οι προσομοιώσεις με τα ατμοσφαιρικά μοντέλα. Η μελέτη συνεχίζεται με το δυναμικό υποβιβασμό κλίμακας μέσω του ατμοσφαιρικού μοντέλου μεσοκλίμακας WRF-ARW σε χωρικές αναλύσεις 9, 3 και 1 χλμ., αποκαλύπτοντας μικρές αποκλίσεις σε σχέση με πραγματικές μετρήσεις, επικυρώνοντας έτσι τις παραμετροποιήσεις του μοντέλου. Η ανάλυση των 3 χλμ. χαρακτηρίζεται από τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ χωρικής λεπτομέρειας, αριθμητικής ακρίβειας και υπολογιστικού χρόνου. Στο αστικό περιβάλλον της Θεσσαλονίκης το μοντέλο μεσοκλίμακας MEMO, με ανάλυση έως 250 μέτρα, εμφανίζει καλύτερη αριθμητική ακρίβεια, ενώ το WRF-ARW παρουσιάζει καλύτερη ικανότητα αποτύπωσης της δυναμικής των φαινομένων. Η μελλοντική κλιματική ανάλυση με το WRF-ARW τονίζει τη σημασία χρήσης υψηλής χωρικής ανάλυσης για την ακριβή εκτίμηση των κλιματικών κινδύνων και την υιοθέτηση στοχευμένων στρατηγικών προσαρμογής και προστασίας της πολιτιστικής κληρονομιάς. Τέλος, ποσοτικοποιούνται οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στα υλικά. Η υγρασία του οπτόπλινθου στο Δίον φτάνει έως 250 kg/m³ τους χειμερινούς μήνες, με 7-15 κύκλους ύγρανσης/ξήρανσης ανά μήνα τους μεταβατικούς μήνες. Το μάρμαρο υφίσταται μηχανική καταπόνηση έως 38,9 MPa και 31,5 MPa ως προς τη διακύμανση της θερμοκρασίας για το Δίον και τη Θεσσαλονίκη αντίστοιχα και συνολική φθορά έως 83% και 85%. Η διατριβή προτείνει μια ολοκληρωμένη και διεπιστημονική προσέγγιση διαχείρισης της πολιτιστικής κληρονομιάς έναντι των νέων κλιματικών προκλήσεων, καλύπτοντας ένα σημαντικό κενό στη βιβλιογραφία.